微弱信號檢測3

1、 微弱信號檢測微弱信號檢測 3微弱信號微弱信號檢測技術(shù)檢測技術(shù)3.1.1 電容檢測基本方法電容檢測基本方法 微系統(tǒng)輸出電容一般只有幾皮法，且隨著器件微系統(tǒng)輸出電容一般只有幾皮法，且隨著器件尺寸的減小而減小，因此電容檢測十分重要，設(shè)計高尺寸的減小而減小，因此電容檢測十分重要，設(shè)計高靈敏度的檢測電路檢測小電容，對于提高傳感器的性靈敏度的檢測電路檢測小電容，對于提高傳感器的性能至關(guān)重要。若靈敏度不高，小電容信號很可能被噪能至關(guān)重要。若靈敏度不高，小電容信號很可能被噪聲淹沒。聲淹沒。 目前小電容的檢測方式包括：目前小電容的檢測方式包括：(1)將電容信號轉(zhuǎn)化成頻率信號，即輸出信號頻率的變將電容信號轉(zhuǎn)化成

2、頻率信號，即輸出信號頻率的變化反映測量電容的變化。電路中大多采用振蕩器的形化反映測量電容的變化。電路中大多采用振蕩器的形式，電路中其他電容、電阻的實際值與標(biāo)稱值誤差很式，電路中其他電容、電阻的實際值與標(biāo)稱值誤差很小，才能保證測量的準(zhǔn)確性。小，才能保證測量的準(zhǔn)確性。 典型小電容測量如下圖所示。典型小電容測量如下圖所示。 待測電容通過恒定電流充、放電，由模擬開關(guān)待測電容通過恒定電流充、放電，由模擬開關(guān)控制，模擬開關(guān)的通斷由輸出方波控制。遲滯比控制，模擬開關(guān)的通斷由輸出方波控制。遲滯比較器有兩個閾值電壓較器有兩個閾值電壓Vb+和和Vc+，兩個比較器的輸出作，兩個比較器的輸出作為多路器輸入，將電容兩端

3、的信號轉(zhuǎn)化為方波信號，為多路器輸入，將電容兩端的信號轉(zhuǎn)化為方波信號，輸出電壓的頻率與恒流源、比較器的上下閾值電壓及輸出電壓的頻率與恒流源、比較器的上下閾值電壓及未知電容的容量有關(guān)，為未知電容的容量有關(guān)，為: CVVIfcb)(2采用開關(guān)電容電路，可以比較方便地將傳感器采用開關(guān)電容電路，可以比較方便地將傳感器和測量電路進行集成。開關(guān)電容在小電容信號處和測量電路進行集成。開關(guān)電容在小電容信號處理方面有很大的優(yōu)勢。理方面有很大的優(yōu)勢。 利用開關(guān)電容電路，通過一定頻率的時鐘信號控制利用開關(guān)電容電路，通過一定頻率的時鐘信號控制開關(guān)的通斷，使電容在一定的時間內(nèi)充、放電，將未開關(guān)的通斷，使電容在一定的時間內(nèi)

4、充、放電，將未知電容轉(zhuǎn)化成電壓信號、數(shù)字信號或頻率信號。知電容轉(zhuǎn)化成電壓信號、數(shù)字信號或頻率信號。 下圖分別轉(zhuǎn)換為直流電壓信號和數(shù)字信號。下圖分別轉(zhuǎn)換為直流電壓信號和數(shù)字信號。采用相位測量法，以濾波器的基本原理作為測采用相位測量法，以濾波器的基本原理作為測量的基本依據(jù)。量的基本依據(jù)。 在低通濾波器中，輸出信號和輸入信號的相位在低通濾波器中，輸出信號和輸入信號的相位會產(chǎn)生滯后，相位差為會產(chǎn)生滯后，相位差為 如果輸入信號頻率、電阻的阻值和輸入、輸出相位如果輸入信號頻率、電阻的阻值和輸入、輸出相位差確定，則可利用上式求得未知電容的容量。差確定，則可利用上式求得未知電容的容量。將電容信號轉(zhuǎn)化成電壓信號

5、，是目前應(yīng)用最廣的微將電容信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，是目前應(yīng)用最廣的微小電容檢測方法，其前置放大器可分為開關(guān)型和調(diào)制小電容檢測方法，其前置放大器可分為開關(guān)型和調(diào)制解調(diào)型兩類。解調(diào)型兩類。 調(diào)制解調(diào)型電路將低頻信號調(diào)制成高頻交流信號，調(diào)制解調(diào)型電路將低頻信號調(diào)制成高頻交流信號，經(jīng)交流放大，然后解調(diào)還原成對應(yīng)的低頻信號。經(jīng)交流放大，然后解調(diào)還原成對應(yīng)的低頻信號。 實際檢測方法通常是以上方法的組合。實際檢測方法通常是以上方法的組合。)arctan( RC 3.1.2 典型電容檢測電路典型電容檢測電路微小差分電容轉(zhuǎn)化為電壓輸出的檢測電路微小差分電容轉(zhuǎn)化為電壓輸出的檢測電路 原理框圖如圖所示。原理框圖如圖所示

6、。 在電容測量中，檢測電容通常在在電容測量中，檢測電容通常在1012F數(shù)量級甚至數(shù)量級甚至更小，電容的變化量則在更小，電容的變化量則在10-1510-18F數(shù)量級。數(shù)量級。(1)高頻正弦信號發(fā)生器高頻正弦信號發(fā)生器 采用數(shù)字電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生正弦波，在波采用數(shù)字電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生正弦波，在波幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性方面都優(yōu)于模擬電路產(chǎn)生的幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性方面都優(yōu)于模擬電路產(chǎn)生的正弦信號。正弦信號。(2)電容電壓轉(zhuǎn)換電路電容電壓轉(zhuǎn)換電路 電路如圖，電路如圖，Cx為待測電容，為待測電容，Rf為反饋電阻。為反饋電阻。 當(dāng)輸入頻率為當(dāng)輸入頻率為f 的正弦信號時，的正弦信號時，Cx上的容抗為：上

7、的容抗為： 運算放大器的增益為：運算放大器的增益為： 可見，當(dāng)頻率一定時，通過測量可見，當(dāng)頻率一定時，通過測量Uo、Ui的值可以的值可以計算出待測電容的值。計算出待測電容的值。xcfCX 21xcfioufCXRUUA 2(3)交流放大電路交流放大電路 交流放大電路如圖，交流放大電路如圖，正弦信號加在待測電正弦信號加在待測電容容Cx上，將待測電容上，將待測電容轉(zhuǎn)換為交流電壓信號。轉(zhuǎn)換為交流電壓信號。 運放運放A2構(gòu)成一級電壓放大器，構(gòu)成一級電壓放大器，R5為反饋電阻，為反饋電阻，C3為補償電容，可以減小運放的噪聲。由于信號頻率為補償電容，可以減小運放的噪聲。由于信號頻率較高，較高，C3的阻抗較

8、大，對的阻抗較大，對A2的增益影響可以忽略。的增益影響可以忽略。 放大器的增益為：放大器的增益為： A3構(gòu)成一級電壓跟隨器，起緩沖作用，降低輸出構(gòu)成一級電壓跟隨器，起緩沖作用，降低輸出阻抗，增強驅(qū)動能力?？偟脑鲆鏋椋鹤杩梗鰪婒?qū)動能力。總的增益為：5522RfCXRAxcu 5322RfCAAAxuu (4)移相電路移相電路 為實現(xiàn)同步檢波，可將正弦波信號經(jīng)過移相，為實現(xiàn)同步檢波，可將正弦波信號經(jīng)過移相，使相位發(fā)生變化，作為同步檢波電路的參考信號。使相位發(fā)生變化，作為同步檢波電路的參考信號。式中：式中：ininoutUCjRRRRURRU00079791)1( 40280,CCRRRRP當(dāng)當(dāng)R

9、7=R9時，時，令令則則當(dāng)當(dāng)=0時，即時，即當(dāng)當(dāng)0時，時，f 0，tan=-1，輸出的相移為，輸出的相移為180當(dāng)當(dāng)時時，f，tan= 0，輸出的相移為，輸出的相移為 0調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器RRP2，可以改變輸出與輸入信號相位差。，可以改變輸出與輸入信號相位差。1)(2)1(220200020202CRCRjCRUUinout 0001CR 1)()(2)(1 20020 jUUinout1)()(2arctan200 00021CRf jUUinout90 (5)同步檢波電路同步檢波電路 同步檢波如圖所示。采用雙平衡模擬乘法器同步檢波如圖所示。采用雙平衡模擬乘法器MC1596，具有較好的載波抑制比，較高的共模，具有較好的載波抑制比，較高的共模抑制比，平衡輸入和增益調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點。抑制比，平衡輸入和增益調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點。 用差放用差放A5接收接收MC1596的輸出信號，組成具有一定的輸出信號，組成具有一定電壓增益的電平移動電路。電壓增益的電平移動電路。A6組成有源低通濾波，濾組成有源低通濾波，濾除同步檢波輸出的高頻分量，并將輸出轉(zhuǎn)換為直流信除同步檢波輸出的高頻分量，并將輸出轉(zhuǎn)換為直流信號。電容號。電容C10的作用是抑制脈沖尖峰。的作用是抑制脈沖尖峰。用差放用差放A5接收接收M